Материал для тонкопленочных резистивных элементов интегральных микросхем

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Зеленин Виктор Алексеевич Ходарина Людмила Петровна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Материал для тонкопленочных резистивных элементов интегральных микросхем, содержащий хром, кобальт и кремний, отличающийся тем, что дополнительно содержит лантан при следующем соотношении компонентов, мас.хром 8-12 кобальт 5-9 кремний 55-69 лантан 18-24. Изобретение относится к материалам для микроэлектроники, в частности к составам резистивных материалов, и может быть использовано при формировании резистивных элементов интегральных микросхем (ИМС) с многоуровневой разводкой. Известен двухкомпонентный резистивный сплав серии РС марки РС-4800 (материал для тонкопленочных резисторов) на основе кремния, содержащий 47-49 мас.хрома и кремний, остальное 1. Пленки этого сплава жаростойки имеют положительныеи хорошую адгезию к подложке. Недостатком сплава является сильное изменение электрических свойств при незначительном изменении химического состава пленок. Кроме того,мишени из этого сплава для получения резистивных пленок методом магнетронного распыления, изготовленные методом литья, вследствие высокой температуры плавления сплава (155015) С растрескиваются при кристаллизации и остывании отливок. А мишени из этого сплава, полученные методом порошковой металлургии, содержат недопустимое для изделий микроэлектроники количество технологических примесей,попадающих в них при получении порошков, а также при прессовании и последующем спекании мишеней, что не позволяет их использовать в серийном производстве ИМС. Известен также материал для изготовления тонкопленочных резисторов на основе хромсилицидного сплава, легированного никелем, например сплав серии РС марки РС 14648 1 2011.08.30 3710, содержащий в мас.36,5-39,5 хрома, 8,0-11,0 никеля и кремний - остальное 1. Введение никеля позволило снизить температуру плавления сплава до (125015) С и тем самым повысить литейные свойства сплава, а также повысить стабильность электрических свойств резистивных пленок. В результате мишени для магнетронных распылительных систем (МРС) из этого сплава можно изготавливать методом литья. Недостатком сплава марки РС-3710 является то, что при толщине пленок 80-100 нм величина их удельного поверхностного сопротивления (УПС) не превышает 300 Ом/кв,что не позволяет разместить на кристалле ИМС необходимое количество резистивных элементов. А при повышении УПС пленок путем уменьшения их толщины снижается стабильность свойств резистивных элементов. Известен также материал для изготовления тонкопленочных резисторов на основе тернарного соединения кремния с редкоземельным и с переходным металлом, в частности системы 2. Достоинством данного сплава является хорошая воспроизводимость электрических свойств пленок, а также их повышенная фазовая и структурная стабильность вследствие гетеродесмичности связей в тернарных соединениях . Введение лантана подавляет процесс выделения кристаллитов свободного кремния при кристаллизации отливок заготовок мишеней, что снижает хрупкость мишеней. Кроме того, стабильный фазовый состав тернарных соединений и высокая их электропроводность в массивном состоянии позволяют получать хорошо воспроизводимые по толщине и начальным электрическим параметрам (после осаждения на подложку до термообработки) резистивные пленки. Недостатки сплава системы связаны с низким УПС пленок (порядка 200 Ом/кв при толщине 80-100 нм) и с повышенными отрицательными значениями их(порядка -30010-6 К-1). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототип) является резистивный хромсилицидный сплав, легированный кобальтом (сплав системы ), а именно сплав серии РС марки РС-5406, содержащий в мас.52,5-55,5 хрома, 4,5-7,5 кобальта и кремний - остальное 1. Замена, по сравнению со сплавом марки РС-3710, никеля кобальтом позволила получить тонкопленочные резисторы с УПС до 500 Ом/кв, которые после термообработки при 500 С на воздухе в течение 60 мин имеютв пределах 20010-6 К-1. Недостатком сплава марки РС-5406 является более высокая температура плавления(140015) С, чем у сплавов системы , и повышенная хрупкость данного материала в массивном состоянии, что не позволяет получать из него заготовки мишеней методом литья. Кроме того, для формирования резистивных элементов ИМС необходимы резистивные пленки с УПС 0,8-1,2 кОм/кв, так как только в этом случае удается разместить в топологии разводки кристалла ИМС требуемое количество резистивных элементов без увеличения размеров кристалла. Задачей изобретения является создание резистивного материала, имеющего приемлемые для изготовления мишеней магнетронных распылительных систем простой формы литейные свойства и обеспечивающего возможность формирования резистивных элементов ИМС методом магнетронного распыления с УПС 0,8-1,2 кОм/кв ив пределах 20010-6 К-1 при толщине пленок 80-100 нм. Поставленная задача в предложенном изобретении достигается за счет того, что материал для тонкопленочных резистивных элементов интегральных микросхем, содержащий хром, кобальт и кремний, дополнительно содержит лантан при следующем соотношении компонентов, мас.хром 8-12 кобальт 5-9 кремний 55-69 лантан 18-24. 2 14648 1 2011.08.30 Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в снижении содержания технологических быстродиффундирующих примесей ( и ) в мишенях из заявляемого материала до уровня 0,05 по массе по каждому элементу, что достигается использованием при изготовлении мишеней метода литья. Кроме того, повышение УПС пленок снижает площадь, занимаемую резистивными элементами на кристалле, и позволяет разрабатывать ИМС нового поколения со встраиваемыми в разводку резистивными элементами взамен диффузионных резисторов, формируемых, как и активные элементы, в полупроводниковом материале микросхемы. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что заявляемому материалу для тонкопленочных резистивных элементов интегральных микросхем, содержащему хром, кобальт и кремний, вышеуказанный технический результат обеспечивается тем, что материал дополнительно содержит лантан при следующем соотношении компонентов,мас.хром - 8-12 кобальт - 5-9 кремний - 55-69 лантан - 18-24. В предлагаемом изобретении приемлемые для изготовления мишеней магнетронных распылительных систем простой формы литейные свойства достигаются в результате того, что, в соответствии с диаграммами фазовых состояний двойных систем -, -,-, - и - (диаграмма - не построена), снижение содержания хрома по сравнению с прототипом и введение лантана уменьшают температуру плавления сплавов системы и, следовательно, температуру кристаллизации при литье заготовки мишени 3. Кроме того, выбор концентраций хрома и кобальта в сплаве, близких к составу эвтектики в четверной системе , способствует получению мелкозернистой структуры отливки. Выбор содержания лантана в сплаве более высоким, а кремния - более низким, чем в эвтектическом составе, предотвращает выделение крупных первичных кристаллитов кремния при кристаллизации отливки и тем самым снижает хрупкость резистивного материала. В результате снижения температуры плавления и формирования мелкозернистой структуры снижается уровень остаточных напряжений при кристаллизации и остывании отливки заготовки мишени в кокиле и тем самым предотвращается ее растрескивание, что и позволило формировать резистивные элементы методом магнетронного распыления. Поскольку низший, моно- и высший силициды лантана имеют практически одинаковые и достаточно высокие значения удельного электрического сопротивления, то УПС пленок системы достаточно стабильно по величине и в 1,6-2,4 раза превышает УПС пленок системы той же толщины, чем и обеспечивается требуемый диапазон сопротивлений пленок заявляемого материала. Кроме того, поскольку силициды хрома имеют положительные , топленок системы имеют более положительные, чем у системы , значения, оставаясь в пределах 20010-6 К-1 при толщине пленок 80-100 нм. Предлагаемый материал для резистивных элементов ИМС получали в виде мишеней магнетронных распылительных систем следующим образом. В качестве исходных компонентов при приготовлении сплавов использовали следующие материалы кремний ЭКДК-121 б, ГОСТ 19658-81 хром электролитический рафинированный марки ЭХР, ГОСТ 5905-2004 кобальт марки К-0, ГОСТ 123-78 лантан электролитический марки ЛаЭ-0, ОСТ 48-295-85. Содержание быстродиффундирующих в кремнии примесей в указанных материалах согласно сертификатам составляет от 0,0005 до 0,006 мас. . Процесс литья заготовок мишеней из резистивных сплавов включал следующие операции подготовку навески из исходных шихтовых материалов индукционную плавку шихты в атмосфере аргона 3 14648 1 2011.08.30 разливку в графитовый кокиль в атмосфере аргона. Кокиль изготавливали из графита марки ГТ, ГОСТ 17022-81. Плавку резистивных сплавов проводили в модернизированной индукционной печи типа ИСВ 0.004.ПИМ 1, оснащенной машинным генератором мощностью 42 кВт и вакуумной камерой 750600 мм. Плавку шихты осуществляли в тигле из оксида циркония в атмосфере аргона. Толщина литых заготовок 122 мм составляла 15-20 мм. Отлитые заготовки мишеней имели близкую к теоретической плотность без сколов и микротрещин и отличались отсутствием усадки при кристаллизации. Полученные заготовки шлифовали до 120 мм и вырезали из них пластины - мишени толщиной 6 мм с помощью алмазного инструмента на станке Алмаз-М. Химический состав изготовленных мишеней контролировали методом рентгеновской спектроскопии на растровом электронном микроскопе 360. Мишени крепили на катодном узле установки магнетронного распыления с помощью прижимного кольца и проводили их распыление при напряжении постоянного тока 500-600 В и давлении аргона р 1,510-1 Па. В качестве подложек использовали монокристаллические пластины кремния 100 мм со сформированными на них пленками термического оксида кремния. Полученные кремниевые структуры с пленками резистивных сплавов толщиной 80 и 100 нм подвергали термообработке в кварцевой трубе при 600 С в течение 40, 60 и 80 мин в среде азота. После термообработки проводили контроль химического состава пленок методом Оже-спектроскопии на спектрометре -660, а также измерения УПС резистивных пленок с помощью цифрового измерителя удельного сопротивления (ЦИУС 1). Затем методом фотолитографии изготавливали тестовые структуры с резистивными элементами, представляющими собой прямоугольные полоски шириной 50 и 100 мкм. В качестве контактных площадок наносили пленки титана толщиной 200 нм. На каждой пластине формировали по пять тестовых структур. Измерения УПС итонкопленочных резисторов проводили при температурах 25 и 125 С при смещении 0,2 В. Конкретные примеры оптимальных составов предлагаемого материала для тонкопленочных резистивных элементов ИМС в оговоренных пределах, согласно изобретению,приведены в табл. 1. Сопоставительный анализ химсостава мишеней и резистивных пленок, а также электрических свойств (УПС и ) пленок и резистивных элементов, изготовленных из предлагаемого материала и материала прототипа, определяющих получаемый технический результат, подтверждается результатами экспериментальной проверки, данные о которых приведены в табл. 2. Таблица 1 Содержание компонентов, мас.Состав 1 Состав 2 Состав 3 8 10 12 9 7 5 59 62 65 24 21 18 Наименование компонентов Хром Кобальт Кремний Лантан 14648 1 2011.08.30 Таблица 2 Исследуемые характеристики Метод изготовления мишени 1. Содержаниев мишени,мас.2. Содержаниев мишени,мас.3. Содержаниев пленке,мас.4. Содержаниев пленке,мас.5. УПС пленки, Ом/кв (толщина 80 нм, ) 6. УПС пленки, Ом/кв (80 нм,) 7.резистора 10-6, К-1 Исследуемые составы материалов заявляемые известный РС-5406 К,ГОСТ 22025-76 состав 1 состав 2 состав 3 прессование порошка литье литье литье сплава и спекание 0,01 Источники информации 1. ГОСТ 22025-76. Сплавы кремниевые резистивные Технические условия. 2. Левин Е.М. и др. Материалы для тонкопленочных резисторов - тернарные соединения кремния с переходными редкоземельными металлами Реф. сб. Приборы, средства автоматизации и системы управления. Обмен передовым опытом в приборостроении. ЭИ. вып. 9 - Технологии изготовления аналоговых микроэлектронных устройств в приборостроении. - М. ЦНИИТЭИ приборостроения, 1985. - С. 12-16. 3. Диаграммы состояния двойных металлических систем Д 44 Справочник. В 3 т. Т. 1 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5